EP0156378B1

EP0156378B1 - Verfahren und Einrichtung zur Gasaufkohlung von Stahl

Info

Publication number: EP0156378B1
Application number: EP85103680A
Authority: EP
Inventors: Joachim Dr.-Ing. Wünning
Original assignee: Individual
Current assignee: WUENNING, JOACHIM, DR.-ING.
Priority date: 1984-03-29
Filing date: 1985-03-27
Publication date: 1989-08-02
Also published as: US4591132A; ATE45190T1; JPS60228665A; DE3411605A1; DE3411605C2; EP0156378A2; EP0156378A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasaufkohlung von Stahl nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solche Gasaufkohlungsverfahren, wie sie der Einsatzhärtung von Stahlteilen vorausgehen, sind bekannt (Zeitschrift für wirtschaftliche Fertigung, Heft 9, September 1968, Seite 456 bis 464). Bei der Aufkohlung von Werkstücken aus Stahl wird dabei deren Randschicht mit Kohlenstoff angereichert. Für das Prozeßende wird ein bestimmter Kohlenstoffverlauf angestrebt, mit den Zielgrößen "Aufkohlungstiefe", "Rand- kohlenstoffgehalt" und "C-Verlauf am Rand". Dieser Vorgang kann aufgrund der Diffusionsgesetze berechnet werden (Zeitschrift Forsch. Ing. Wes. 13, 1942, S. 177), weil neben der Temperatur und der Zeit sogenannte Randbedingungen als Variable eingehen, mit denen das Kohlenstoffangebot an der Oberfläche definiert wird.
Während man in den Anfängen der Aufkohlungstechnik davon ausging, daß der Rand-C-Gehalt während der gesamten Prozeßdauer angenähert konstant bleibt und daß demnach die Aufkohlungstiefe mit der Wurzel aus der Zeit wächst, wurden mit zunehmenden Genauigkeitsansprüchen die Prozeßparameter "Kohlenstoffpotential" und "Reaktionsgeschwindigkeit" an der Oberfläche eingeführt. Abhängig von den jeweils gemessenen Werten, dem mathematischen Zusammenhang und den anderen Prozeßwerten kann daher der C-Verlauf im Werkstück vorausberechnet werden, wobei die Aufkohlung des Randbereiches darauf beruht, daß das C-Potential der Gasatmosphäre in der zur Aufkohlung verwendeten Ofenkammer so geregelt wird, daß die gewünschten Zielgrößen erreicht werden. Es ist zudem auch bekannt, mit Hilfe einer Recheneinheit das C-Potential während der Aufkohlung zu verändern, um mit geringstmöglichem Zeitaufwand Karbidbildung am Rand des Werkstückes zu vermeiden (DE-PS-3 139 622).
Diese Art der Regelung von Aufkohlungsprozessen läßt sich aber nur dann durchführen, wenn sogenannte Gleichgewichtsatmosphären vorliegen, weil nur dann das C-Potential definiert ist und auch gemessen werden kann. Mit Kohlenwasserstoffen übersättigte Atmosphären werden in der Regel wegen ihrer eingeschränkten Regelfähigkeit vermieden, obwohl sie, weil sie ein noch größeres Kohlenstoffangebot mit sich bringen, eine Rohstoff- und Energieersparnis bringen können.
Aus der DE-1 222 762 B 1 ist es bekannt, die Änderung des elektrischen Widerstandes eines Eisenfühlers als Maß für die Kohlenstoffaufnahme des Stahlteiles auszunutzen und in Abhängigkeit davon die Kohlungsgaszufuhr zu steuern. Geregelt wird dort, abhängig von der Messung, das Kohlenstoffabgabevermögen des Aufkohlungsgases, was relativ aufwendig ist. Dieses Verfahren bietet keine Möglichkeit, mit übersättigten Kohlenwasserstoffatmosphären zu arbeiten, ohne daß die Gefahr von Ruß- oder Karbidbildung auftritt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren dieser Art so auszubilden, daß auch mit Kohlenwasserstoffen übersättigte Atmosphären für Aufkohlungsprozesse so eingesetzt werden können, daß eine eindeutige Steuerung und Bestimmung des Kohlenstoffverlaufes am Rand der Werkstücke möglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 vorgesehen. Ein solches Verfahren läßt sich durchführen, obwohl die theoretisch für den Kohlenstoffstrom an der Oberfläche der Werkstücke bekannten Zusammenhänge nicht ohne weiteres in die Praxis umzusetzen sind, weil dieser C-Strom im Gegensatz zum C-Potential während des Aufkohlungsprozesses in komplizierter Weise verändert werden muß, wenn am Ende ein bestimmter Kohlenstoffverlauf vorliegen soll. Dies läßt sich aber, ebenso wie bei bekannten Verfahren, durch Rechner laufend oder in bestimmten kurzen Zeitabschnitten so bestimmen, daß die gewünschte Regelung möglich ist, wenn Werte für den C-Strom zur Verfügung gestellt werden, was in einfacher Weise über die zeitliche Änderung des elektrischen Widerstandes eines Eisenfühlers möglich wird.
Um hierbei keine Gefahr zu laufen, daß der Kohlenstoffgehalt des Fühlers dem Kohlenstoffgehalt am Rand des aufzukohlenden Werkstückes davonläuft, wird jeweils vorteilhaft dafür gesorgt, daß der mittlere Kohlenstoffgehalt des Eisenfühlers durch schrittweise kurz-zeitige Entkohlungsphasen dem für den Rand- kohlenstoffgehalt des Stahlteiles in bekannter Weise rechnerisch ermittelten Wert nachgeführt wird. Erreicht daher der vom C-Fühler ermittelte Wert den für den Randkohlenstoffgehalt am Werkstück angestrebten Wert, so muß die Zufuhr von Kohlungsgas so zurückgenommen werden, daß beispielsweise die schädliche Karbidbildung vermieden wird.
Zur Durchführung des neuen Verfahrens wird eine Einrichtung vorgesehen, die in bekannter Weise einen Aufkohlungsofen mit mindestens einer beheizbaren Kammer, mit Fühlers zum Erfassen der Kammertemperatur, mit einer Kohlungsmittelzuführleitung, in der ein steuerbares Regelventil angeordnet ist und mit einem in die Kammer hereinreichenden Fühler vorgesehen, der mindestens einen der Ofenatmosphäre ausgesetzten elektrischen Meßwiderstand aufweist, wie das beispielsweise in der Zeitschrift Stahl und Eisen 80 (1960, Heft 26, Seiten 1952 bis 1954) beschrieben ist. Bei einer solchen Einrichtung wird erfindungsgemäß jedoch vorgesehen, daß der Meßwiderstand als C-Strom-Fühler wirkt und in einer Fühlerkammer angeordnet ist, die an eine Zufuhrleitung für ein Entkohlungsgas angeschlossen ist, und daß in diese Zuführleitung ein in Abhängigkeit von den ermittelten Werten steuerbares Absperrventil angeordnet ist. Dieses Entkohlungsgas kann bei Einrichtungen mit einem Fühler, der einen von einem Vergleichsgas umströmten Vergleichswiderstand zur Temperaturkompensation aufweist, gleichzeitig das Vergleichsgas sein, das für den Kompensations-Vergleichswiderstand vorgesehen ist. Die das Absperrventil enthaltende Zuleitung kann dabei in einfacher Weise von der Anschlußleitung zum Vergleichswiderstand abzweigen. Dieses Absperrventil enthält seine Steuerimpulse zum Öffnen und Schließen in einfacher Weise schrittweise von der Recheneinheit, die damit den Kohlenstoffgehalt des Meßwiderstandes dem Kohlenstoffgehalt am Rand des aufzukohlenden Werkstücks nachführt. Der zeitliche Verlauf des C-Gehaltes des Meß-fühlers entspricht daher dem Aufkohlungsverlauf am Rand des Werkstückes.
Natürlich läßt sich der Kohlenstoffgehalt des Fühlers analog der eben beschriebenen Art in umgekehrter Weise auch bei absinkendem Kohlenstoffgehalt in der Atmosphäre nachführen. Die Entkohlungsphasen werden dann durch Aufkohlungsphasen ersetzt.
Natürlich ist es auch bei den neuen Verfahren möglich, nicht nur Aufkohlungsprozesse, sondern beispielsweise auch Verfahren zum Karbonitrieren durchzuführen. Bei Aufkohlungsprozessen kann in der Schlußphase zur genauen Einstellung des Rand-C-Gehaltes an den Werkstücken auch auf die bekannte C-Potential-Regelung umgeschaltet werden. Der Vorteil des neuen Verfahren ist das höhere Kohlenstoffangebot in der Anfangsphase, jedoch ohne die Gefahr der Überkohlung.
Die erfindung ist anhand von zwei Ausführungsbeispielen von Einrichtungen zur Durchführung der neuen Verfahren in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden auch anhand eines Beispiels erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Stahlaufkohlung, bei der ein C-Strom-Fühler zur Steuerung des Aufkohlungsvorganges eingesetzt ist,
Fig. 2 die schematische und vergrößerte Darstellung des C-Strom-Fühlers der Fig. 1,
Fig. 3 eine diagrammartige Darstellung, die den Verlauf des C-Gehaltes des Fühlers der Fig. 2 und dessen Steuerung in Abhängigkeit von der Zeit,
Fig. 4 Diagramme mit dem Verlauf der Temperatur, des Randkohlenstoffgehaltes, der Aufkohlungstiefe und des C-Stromes jeweils anhand eines auch beschriebenen Beispieles und über dem Zeitverlauf aufgetragen,
Fig. 5 die diagrammartige Darstellung des Kohlenstoffverlaufes bei Prozeßende in Abhängigkeit des Abstandes vom Rand.

In der Fig. 1 ist ein Aufkohlungsofen 1 mit einer durch ein Gebläse 1a gebildeten Umwälzeinrichtung vorgesehen, in den eine Werkstückcharge 2 zur Aufkohlung mit der Oberfläche A eingesetzt ist. In den Ofen mündet eine Kohlungsmittelzuführleitung 3, in die das Aufkohlungsgas in Richtung des Pfeiles 3a eingegeben wird. Aus dem Aufkohlungsofen 1, der in bekannter Weise mit einer wärmebeständigen Isolierwand versehen ist, heraus führt eine Abzugsleitung 1b, an der das in Richtung des Pfeiles 4 austretende Abgas abgefackelt wird. In den Ofen 1 hereingeführt ist auch ein Temperaturfühler 6, dessen Meßwerte einer Recheneinheit 7 zugeführt werden. In die Kohlungsmittelzuführleitung 3 ist ein steuerbares Regelventil 4 eingesetzt, das über ein Stellglied 5 betätigt werden kann, welches seine Steuerimpulse vom Rechner 7 erhält.
Ebenfalls in den Ofen 1 hereingeführt ist ein C-Strom-Fühler 8, dessen Fühlerkopf 8a mit dem Rechner 7 in Verbindung steht, so daß die vom C-Strom-Fühler 8 ermittelten Werte vom Rechner 7 ausgewertet werden können. Dieser Fühlerkopf 8a steht außerdem aber noch mit einer Zufuhrleitung 9 für ein Entkohlungsgas in Verbindung, das in Richtung des Pfeiles 9a zugeführt wird. In diese Zuführleitung 9 ist ein Absperrventil 10 eingesetzt, das über ein vom Rechner 7 gesteuertes Stellglied 11 geöffnet oder geschlossen werden kann. In den Rechner 7 werden außerdem die gewünschten Zielgrößen Z sowie der Wert für den Anfangs-C-Gehalt CKder Werkstückcharge 2 eingegeben. Der Rechner 7 steht mit einem Schreiber 12 für den Kohlenstoffverlauf C-X in Verbindung, welcher den Kohlenstoffverlauf im Werkstück in Abhängigkeit von Randabstand aufzeichnet. Dieser Verlauf wird vom Rechner 7 in bekannter Weise ermittelt.
Aus Fig. 2 wird deutlich, daß der C-Strom-Fühler 8 aus einem in zwei Kammern 8b und 8c durch die Wand 13 unterteilten Rohr besteht, die sich bis in den Fühlerkopf 8a fortsetzen. Die Kammer 8b enthält einen Meßwiderstand 14, der in nicht näher dargestellter Weise von einem elektrischen Strom durchflossen wird und über die Verbindungsleitung 14a mit einer im Rechner 7 angeordneten Auswertschaltung in Verbindung steht. Die Kammer 8b steht außerdem mit der Zuführleitung 9 für das Entkohlungsmittel in Verbindung, in der das Absperrventil 10 angeordnet ist.
Die Kammer 8a des C-Strom-Fühlers 8 steht über eine Anschlußleitung 16 mit der Zuführleitung 9 für das Entkohlungsmittel in Verbindung, so daß die Kammer 8a ständig mit einer gewissen Menge des beim Ausführungsbeispiel gleichzeitig als Vergleichsgas dienenden Entkohlungsmittel beaufschlagt ist.
Die Arbeitsweise der Einrichtung der Fig. 1 und 2 soll nun an einem Beispiel beschrieben werden.
In dem beispielsweise als Retortenofen ausgebildeten Aufkohlungsofen 1 wird die Charge 2 von Werkstücken aus Stahl mit einem Anfangs-C-Gehalt von 0,20 0/oC und einer Gesamtoberfläche A von 10 m² bei 930°C aufgekohlt. Die Zielgrößen Z bei Prozeßende sind folgende:

Aufkohlungstiefe AT = 1 mm bei 0,35 %C;
Randkohlenstoffgehalt CR = 0,80 %C;

C-Verlauf am Rand soll flach sein.

Diese Zielgrößen ergeben einen Kohlenstoffbedarf - errechnet - von 35 g/m².
Aus wirtschaftlichen Gründen wird eine kurze Aufkohlungsdauer, d. h. ein hohes Kohlenstoffangebot angestrebt. Der Rand-C-Gehalt soll jedoch während der Aufkohlung 1,00 %C nicht überschreiten, um Carbidbildung zu vermeiden. Vor dem Ausfahren soll die Temperatur der Charge 2 auf die Härtetemperatur von 860° C abgesenkt werden.
Beim Aufheizen der Charge 2 wird der Ofen 1 mit Stickstoff gespült.
Ab 850°C wird etwas Methanol zur Bildung von CO und H2 sowie Erdgas CH4 als Kohlungsgas zugesetzt, was über die Kohlungsmittelzufuhrleitung 3 geschieht, und zwar in so hohem Anteil, daß eine C-Potentialmessung wegen Übersättigung nicht durchgeführt werden kann. In dem in der Fig. 4 gezeigten Abschnitt I ist der C-Strom begrenzt, um übermäßige Rußbildung im Ofen 1 zu vermeiden. Im Abschnitt II wird der C-Strom zurückgenommen, weil sonst der Rand-C-Gehalt über ein Prozent steigen würde.
Die Atmosphäre im Ofen 1 wird von dem C-Strom-Fühler 8 mit dem Meßwiderstand 14 überwacht, der beispielsweise aus einem Eisendraht mit einem Durchmesser von 0,2 mm bestehen kann, dessen Kohlenstoffgehalt sich um 0,26 %C/h verändert, wenn der C-Strom 1 g/m²h beträgt, was sich aus dem Oberflächen-/ Volumenverhältnis des Fühlers 8 ergibt.
Der Kohlenstoffgehalt C des Fühlers wird, wie Fig. 3 zu entnehmen ist, durch vom Rechner 7 gesteuerte Entkohlungszyklen dem Rand-C-Gehalt der Werkstückcharge 2 nachgeführt. In Fig. 3 ist der C-Gehalt des Fühlers durchgehend ausgezogen. Diese sägezahnartige Linie ist mit 18 bezeichnet. Die jeweiligen Entkohlungsphasen 19 werden vom Rechner 7 gesteuert. In diesem Fall wird das Absperrventil 10 - vom Rechner gesteuert - geöffnet und es fließt kurzzeitig Entkohlungsmittel durch die Kammer 8b.
Der Mittelwert des Verlaufes des C-Gehaltes am Fühler entspricht so der gestrichelt dargestellten Linie 20, welche den Verlauf des Rand-C-Gehaltes am Werkstück 2 darstellt, der vom Rechner ermittelt wird.
Es ist aus Fig. 3 auch zu erkennen, daß die Zeit t_E für die Entkohlungsphasen nur sehr kurz ist. Sie reicht aber aus, um den Mittelwert des C-Gehaltes des Fühlers 8 dem Rand-C-Gehalt 20 nach zuführen.
Aus dem Wert dC dt wird der dazu proportionale C-Strom ermittelt.
Die Kohlungsgaszufuhr in Richtung des Pfeiles 3a wird abgebrochen, sobald die Summe des zugeführten Kohlenstoffes mit dem vorgegebenen Zielwert 35 g/m² übereinstimmt. Dies ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 nach vier Stunden erreicht. Danach wird unter Stickstoffzufuhr diffundiert, bis der Rechner 7 den vorgegebenen Rand-C-Gehalt anzeigt, der etwa nach fünf Stunden und 20 Minuten gemäß Fig. 4 bei 0,8 %, wie gewünscht, liegt. (siehe in Fig. 4 Abschnitt 111). In der Diffusionsphase wird gleichzeitig auf Härtetemperatur abgesenkt, wie das aus dem oberen Diagramm mit dem Temperaturverlauf zu ersehen ist.
Das vom Rechner 7 ausgegebene Chargenprotokoll (Fig. 4) zeigt den über den C-Strom geregelten Aufkohlungsprozeß. Fig. 5 zeigt den endgültigen Kohlenstoffverlauf bei Prozeßende, der mit den vorgegebenen Zielgrößen übereinstimmt. Dabei ist in Fig. 5 auf der Abszisse der Randabstand im Werkstück aufgetragen. Auf der Ordinate der C-Gehalt. Der Rand- kohlenstoffgehalt CR beträgt 0,180 %C. Bei der Aufkohlungstiefe 1 mm beträgt der C-Gehalt 0,35 %C.

Claims

1. Verfahren zur Gasaufkohlung von Stahl, bei dem das Stahlteil in einer kohlenstoffangereicherten Gasatmosphäre eines Ofens o.dgl. einem Diffusionsprozeß zur Bildung eines Randbereiches mit erhöhtem und abhängig vom Randabstand bestimmten Kohlenstoffgehalt ausgesetzt wird, bei dem in gewissen Zeitabständen die für den Diffusionsvorgang wichtigen Meßgrößen einschließlich der Temperatur ermittelt und als Steuergrößen für die Beeinflussung des Diffusionsvorganges verwendet werden und bei dem die Änderung des elektrischen Widerstandes eines Eisenfühlers (8) als Maß für die Kohlenstoffaufnahme des Stahlteiles dient und in Abhängigkeit davon die Kohlungsgaszufuhr gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre mit Kohlenstoff übersättigt wird und der mittlere Kohlenstoffgehalt des Eisenfühlers (8) durch schrittweise, kurzzeitige Entkohlungsphasen (19) dem für den Rand-Kohlenstoffgehalt (CR) des Stahlteiles ermittelten Wert (20) nachgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Meßgrößen und Zielgrößen einer Recheneinheit (7) zugeführt werden, die hieraus und aus den für die Berechnung des Verlaufs des Randkohlenstoffgehaltes wichtigen und abgespeicherten Daten, wie Geometrie des Stahlteiles, Diffusionskoeffizient und Kern-C-Gehalt den zum jeweiligen Zeitpunkt vorliegenden Verlauf (20) des C-Gehaltes im Stahlteil berechnet und abhängig davon Signale zur Steuerung der Kohlengaszufuhr gibt.